CN110376600B - 一种基于多普勒频谱修正的运动目标运动特征测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多普勒频谱修正的运动目标运动特征测量方法，涉及一种新型的激光测量技术。通过利用脉冲激光与单频连续激光的外差干涉，将未经待测目标调制的发射脉冲激光与单频连续波激光的外差干涉信号作为参考多普勒频谱，将发射脉冲激光经由待测目标调制后接收到的外差干涉信号的频谱，作为原始测量频谱，原始测量频谱经由参考频谱修正后的频谱作为真实目标多普勒频谱。本发明的技术方案所得到的目标多普勒频谱可以有效消除脉冲激光自身波动所引起的频谱干扰，获得更为准确的目标运动状态的多普勒信息，并具有测量速度快、精度高、性能可靠的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的激光测量技术，尤其涉及一种脉冲激光与单频激光外差干涉的运动目标运动特征测量方法。
背景技术
针对运动目标的激光测量技术已经得到了迅速发展，相关的技术包括对运动目标的距离、坐标、形状、运动速度等的测量，其中，针对运动目标速度的测量常利用激光频率的变化量来进行。根据多普勒原理，当测量主体与待测量目标之间存在相对运动时，从测量主体发射前往待测量目标的激光束在照射到待测量目标后，将部分反射或散射并回到测量主体所在的光学接收系统之中，并由光学接收系统汇聚到光电转换用的光电探测器上，所收集的反射或散射光将携带包含运动目标速度特性的多普勒信息。如果在光电探测器上同时施加一个参考用的激光，则回波激光与参考激光之间将产生外差干涉信号。合理设计的探测激光与参考激光以及相应的光电转换探测器将能给出有价值的目标多普勒信号，该多普勒信号将有助于分辨目标的运动特征。
与常规的利用二组连续波单频激光的外差干涉系统不同，利用脉冲激光器与连续波激光器的外差干涉系统具有很多特点。尤其适合于测量待测运动目标相对于其质量中心的微运动状态特征。这时，采用脉冲工作的激光器代替连续波工作的单频激光器作为探测用激光器具有显著的优点。第一，对于高速运动的目标，存在大量级的多普勒频移，高速运动目标自身的转动、振动、进动等运动造成的微多普勒频移信号，将混迹于大量级的多普勒频移之中，当采用多纵模的脉冲激光与连续波激光干涉时，回波信号中实际上包含众多激光纵模，这些激光纵模都会与本地的单频激光发生外差干涉，因此大量级的多普勒频移信号并不会导致外差信号中高频量的产生。这时，外差信号中，最大带宽的高频信号仍然受限于多纵模的脉冲激光自身的脉冲宽度，这将给外差信号的处理带来极大的便利。第二，多纵模的脉冲激光的能量在时间上集中，信噪比高，有利于目标探测，同时，多纵模的脉冲激光的放大更容易实现，可以获得更高的激光峰值功率。因此也更加有利于远距离目标的探测。
但是，与连续波单频激光不同，多纵模的脉冲激光在激光放大过程中会承受各种的线性和非线性的增益调制和相位调制，特别是脉冲簇结构的多纵模脉冲激光在放大过程中更容易产生较大的时域畸变，并因此导入相应的频域畸变。这种畸变对于目标的运动特性测量将会有较大影响。
发明内容
本发明的目的，是针对多纵模脉冲激光与连续波导频激光的外差干涉系统中，多纵模锁模脉冲激光的放大过程容易引入较大的时域和频域畸变、导致外差干涉测量的准确性问题，提出了一种脉冲激光与单频激光外差干涉的运动目标运动特征测量方法：多纵模脉冲激光器的脉冲激光经过光纤放大器放大，获得功率放大的脉冲激光，脉冲激光通过光学分光片和发射望远镜后向待测目标发射，待测目标反射或散射的激光脉冲信号经发射望远镜接收后，进入第一光电探测器。进入第一光电探测器的激光脉冲与单频连续激光器入射到第一光电探测器上的连续激光进行混频，混频信号由后端的第一信号处理器经傅里叶变换处理后得到原始多普勒频谱。此外，经由光学分光片后的部分激光脉冲进入第二光电探测器，进入第二激光探测器的激光脉冲与单频连续激光器入射到第二光电探测器上的连续激光进行混频，混频信号由后端的第二信号处理器经傅里叶变换处理后得到参考多普勒频谱。在第三信号处理器中将原始多普勒频谱经参考多普勒频谱修正，得到待测目标的运动特征。
进一步地，所述多纵模脉冲激光器的纵模频率与单频连续波激光器的频率相互锁定。
进一步地，所述光纤放大器为同时放大激光脉冲能量和激光功率的激光放大器，激光放大介质为稀土离子掺杂的保偏增益光纤，包括镱掺杂光纤、铒掺杂光纤和铥掺杂光纤。
进一步地，所述第一光电探测器和第二光电探测器为光电二极管或雪崩光电二极管，包括单元探测器和平衡探测器。
进一步地，所述单频连续激光器为窄频连续波单纵模激光器，包括半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，其波长范围为1.02μm-1.12μm、1.53μm-1.65μm或1.9μm-2.1μm。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本方案采用脉冲激光与单频连续激光进行外差干涉，作为原始多普勒频谱；并将未经待测目标调制的发射脉冲激光与单频连续激光进行外差干涉，将该信号作为参考多普勒频谱；原始多普勒频谱经由参考多普勒频谱修正后的多普勒频谱作为真实目标多普勒频谱，实现待测目标的运动特征测量。利用本发明技术方案所得到的待测目标的运动特征测量能够有效消除脉冲激光放大过程中自身波动所引起的频谱干扰，获得更为准确的目标运动状态的多普勒信息，该方法具有结构简单、测量速度快、精度高、性能可靠的特点。
附图说明
图1是本发明采用脉冲激光与单频激光外差干涉的运动目标运动特征测量方法的流程图。
1-多纵模脉冲激光器，2-光纤放大器，3-分光片，4-发射望远镜，5-待测目标，6-第一光电探测器，7第一信号处理器，8-第二光电探测器，9-第二信号处理器，10-第三信号处理器，11-单频连续激光器。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1本发明采用脉冲激光与单频激光外差干涉的运动目标运动特征测量方法的流程图，具体为：多纵模脉冲激光器1的脉冲激光经过光纤放大器2放大，获得功率放大的脉冲激光，脉冲激光通过光学分光片3将脉冲激光分成两部分，一部分脉冲激光和发射望远镜4后向待测目标5发射，待测目标5反射或散射的激光脉冲信号经发射望远镜4接收后，进入第一光电探测器6。进入第一光电探测器6的激光脉冲与单频连续激光器11入射到第一光电探测器6上的连续激光进行混频，混频信号由后端的第一信号处理器7经傅里叶变换处理后得到原始多普勒频谱。此外，经由光学分光片3后的另部分激光脉冲进入第二光电探测器8，进入第二激光探测器8的激光脉冲与单频连续激光器11入射到第二光电探测器8上的连续激光进行混频，混频信号由后端的第二信号处理器9经傅里叶变换处理后得到参考多普勒频谱。在第三信号处理器10中将原始多普勒频谱经参考多普勒频谱修正，通过原始多普勒频谱与参考多普勒频谱相应数值相减，得到修正后的多普勒频谱，从而得到待测目标5的运动特征。通过本方案所得到的待测目标的运动特征测量能够有效消除脉冲激光放大过程中自身波动所引起的频谱干扰，获得更为准确的目标运动状态的多普勒信息，该方法具有结构简单、测量速度快、精度高、性能可靠的特点，能够广泛应用远距离于卫星、导弹运动状态的捕捉。
所述多纵模脉冲激光器1的纵模频率与单频连续波激光器11的频率相互锁定。
所述的光纤放大器2是一种能够有效放大激光脉冲能量和激光功率的激光放大器，其激光放大介质是一种稀土离子掺杂的保偏增益光纤，包括镱(Yb)掺杂光纤、铒(Er)掺杂光纤和铥(Tm)掺杂光纤。
所述的光学分光片3是一种普通的分光器件，能够将入射激光功率分成二部分。
所述的发射望远镜4是一种普通的光学望远镜，能够将激光按照比较小的角度向待测目标5照射。
所述的第一光电探测器6和第二光电探测器8均为一种常规的宽带光电探测器，可以是普通的光电二极管，也可以是雪崩光电二极管，包括单元探测器和平衡探测器。
所述的第一信号处理器7和第二信号处理器9均为一种常规的信号处理电路，能够实现微弱信号的放大、采样、和对多普勒频谱进行傅里叶变换分析。
所述的第三信号处理器10为一种常规的信号处理电路，能够实现常规的数值处理，如频谱分析。
所述的单频连续激光器11是一种窄频的连续波单纵模激光器，可以是半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，其波长可以处于1.02μm-1.12μm、1.53μm-1.65μm或1.9μm-2.1μm。
将该外差干涉测量运动目标运动特征的方法能够广泛应用于远距离的卫星、导弹运动状态的捕捉，具有测量速度快、精度高、距离远、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好的特点，据此构建的新型激光外差干涉测量系统能有效应用于针对各类运动目标特征的测量。
Claims (5)
1.一种基于多普勒频谱修正的运动目标运动特征测量方法，其特征在于，多纵模脉冲激光器（1）的脉冲激光经过光纤放大器（2）放大，获得功率放大的脉冲激光，脉冲激光通过光学分光片（3）和发射望远镜（4）后向待测目标（5）发射，待测目标（5）反射或散射的激光脉冲信号经发射望远镜（4）接收后，进入第一光电探测器（6）；进入第一光电探测器（6）的激光脉冲与单频连续激光器（11）入射到第一光电探测器（6）上的脉冲激光进行混频，混频信号由后端的第一信号处理器（7）经傅里叶变换处理后得到原始多普勒频谱；此外，经由光学分光片（3）后的部分激光脉冲进入第二光电探测器（8），进入第二激光探测器（8）的激光脉冲与单频连续激光器（11）入射到第二光电探测器（8）上的脉冲激光进行混频，混频信号由后端的第二信号处理器（9）经傅里叶变换处理后得到参考多普勒频谱；在第三信号处理器（10）中将原始多普勒频谱经参考多普勒频谱修正，得到待测目标（5）的运动特征。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述多纵模脉冲激光器（1）的纵模频率与单频连续波激光器（11）的频率相互锁定。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述光纤放大器（2）为同时放大激光脉冲能量和激光功率的激光放大器，激光放大介质为稀土离子掺杂的保偏增益光纤，包括镱掺杂光纤、铒掺杂光纤和铥掺杂光纤。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一光电探测器（6）和第二光电探测器（8）为光电二极管或雪崩光电二极管，包括单元探测器和平衡探测器。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述单频连续激光器（11）为窄频连续波单纵模激光器，包括半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，所述半导体激光器的波长范围为1.02μm-1.12μm，所述固体激光器的波长范围为1.53 μm-1.65 μm，所述光纤激光器的波长范围为1.9 μm-2.1μm。
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